Очистка воды от соединений металлов – важная практическая задача, для решения которой часто применяют волокнистые сорбенты различного состава и способа изготовления.

Дополнительные требования к условиям его эксплуатации, связанные с длительным контактом с водой, действием микроорганизмов, перепадом температуры и т.п., определяют практическое значение материала из синтетических волокон, сорбционная емкость которых уступает натуральных волокон. Кинетика процесса, имеющая значение при определении времени проведения очистных мероприятий исследована недостаточна.  Практическое значение таких исследований также связано с обоснованием возможности применения волокнистого сорбента для очистки воды в режиме ее фильтрации.

В качестве объекта исследования использовали иглопробивной материал поверхностной плотностью 0,6 кг/м², из полиэфирного волокна линейной плотностью 0,33 текс. В процессе изготовления применяли механический способ формирования волокнистого холста. Плотность иглопрокалывания составила 180 см², что обеспечило получение материала объемной плотностью 150 кг/м3, который использовали для очистки воды от хлоридов 3-х валентного хрома, кобальта и 2-х валентного железа. Начальная концентрация хлоридов в растворе изменяли от 0,6 до 6%. Отношение массы раствора и волокнистого сорбента составило 15:1. Концентрацию хлоридов в растворе контролировали при использовании фотокалориметра ФК-4 на длине волны 580 нм.

Возможные параметры для оценки кинетики процесса получены при исследовании изменения концентрации хлоридов. Полученные результаты обеспечивают расчет содержания на поверхности волокон хлоридов и его изменение за определенный промежуток времени. Кинетические зависимости процесса извлечения хлоридов определяются начальной концентрацией раствора, но имеют ряд общих характеристик. Извлечение протекает в два этапа. Первый характеризуется высокой скоростью осаждения хлоридов на поверхности волокон и протекает при ее постоянной величине. На втором – скорость уменьшается, и её величина становится переменной, этап заканчивается достижением равновесного осаждения хлоридов, величина которого определяет сорбционную емкость материала.

К наиболее важным факторам, определяющим кинетику извлечения хлоридов из воды, отнесены смачивание поверхности волокон раствором хлоридов и сорбция их молекул на поверхности волокон. Влияние смачивания раствором поверхности волокон на процесс их извлечения определяется спецификой структуры материала, формируемой в процессе иглопрокалывания. Следствие такого способа изготовления материала - формирование пучков волокон с высокой плотностью их упаковки, между пучками находятся волокна с низкой плотностью упаковки. Смачивание волокон раствором определяет возможность его проникновения в поры пучков и вытеснения с поверхности волокон воздуха. В меньшей степени такая проблема возникает при смачивании поверхности волокон в пространстве между пучками.

Заполнение пор или пространства между волокнами жидкостью зависит от расстояния между волокнами и поверхностного натяжения жидкости. При увеличении поверхностного натяжения, что характерно при росте концентрации хлоридов в растворе, его проникающая способность в объем пор уменьшается. В случае зависимости кинетики процесса от смачивания волокон и заполнения объема пор должно наблюдаться снижение скорости осаждения хлоридов из концентрированного раствора, что не соответствует экспериментальным результатам. Поэтому можно утверждать, что процесс осаждения хлоридов на поверхности волокон зависит от адсорбции их молекул. Вид зависимостей изменения состава растворов различной концентрации определяется движущей силой процесса адсорбции, которой является градиент концентрации на границе раздела фаз или в общем случае градиентом химического потенциала. В таком случае различные стадии процесса очистки воды отражают различную скорость адсорбции, что является следствием, разной активности поверхности и формирование многослойных слоев из молекул хлоридов. Различная активность поверхности волокон, по-видимому, связана с содержанием на их поверхности примесей, прежде всего замасливателя и аппретов, используемых в процессе изготовления материала и волокна.

Большая часть хлоридов извлекается на 1-й стадии процесса. На 2-й достигается дополнительное извлечение 15-20% от количества, извлеченного на первом этапе. Увеличение концентрации хлоридов уменьшает время протекания каждого этапа их осаждения на поверхности волокон. Время протекания I и II стадии осаждения хлоридов используются для оценки кинетики процесса.

Эти уравнения позволяют рассчитать минимальное время проведения очистки воды от хлоридов металлов. Уравнение 2 показывает, что при расчете времени полного насыщения волокнистого сорбента имеется определенное ограничение. Оно связано с расчетом времени осаждения хлорида из раствора концентрацией более 5%. Для таких условий очистки наблюдается отклонение расчетных результатов от экспериментальных и возрастание ошибки прогноза. Относительно большое время достижения равновесного осаждения хлоридов на поверхности полиэфирного волокна ограничивает использование волокнистого сорбента для очистки воды в режиме ее фильтрации.

Т.о. процесс удаления хлоридов храма, меди и железа протекает в два этапа, которые отличаются скоростью осаждения; кинетика процесса очистки воды от хлоридов храма, меди и железа определяется адсорбцией их молекул на поверхности волокон; эффективность сорбции хлоридов зависит от наличия на поверхности волокон различных примесей.

Александр Дедов
Инновационный НТЦ Поиск